DE102018111786A1 - Vorrichtung zur Erkennung der Annäherung eines Objekts - Google Patents

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Abstract

Die Vorrichtung (10) zur Erkennung der Annäherung eines Objekts (12), insbesondere einer Hand oder eines Fingers einer Hand einer Person an eine Referenzfläche (14), ist versehen mit einer Einheit, die eine Referenzfläche (14) aufweist, bezüglich derer die Annäherung durch ein Objekt (12) zu erkennen sein soll. Die Nährungssensorik (16) zur Erfassung eines Objektes (12), das sich in einem der Referenzfläche (14) der Einheit vorgelagerten Erfassungsraum (20) befindet, weist mehrere Sender (S1 bis S8) zum Aussenden der Sensorstrahlung, mindestens einen Empfänger (E1, E2) für die Reflexionsstrahlung und eine Ansteuer- und Auswerteeinheit (18) auf. Jedem Sender (S1 bis S8) ist ein anderer Teilraum des Erfassungsraums (T1 bis T8) zugeordnet und jeder Empfänger (E1, E2) empfängt die Sensorstrahlung von mehr als einem Sender (S1 bis S8), die von einem Objekt (12) reflektiert wird, das sich in einem der den Sendern (S1 bis S8) zugeordneten Teilräume (T1 bis T8) des Erfassungsraums (20) befindet. Eine Ansteuer- und Auswerteeinheit (18) steuert die Sendern (S1 bis S8) zum Aussenden der Sensorstrahlung an und erhält zwecks Erkennung eines Objekts (12) und/oder zwecks Erkennung der Bewegung eines Objekts (12) im Erfassungsraum (20) von dem mindestens einen Empfänger (E1, E2) Empfangssignale.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Annäherung eines Objekts, insbesondere einer Hand oder eines Fingers einer Hand einer Person an eine Referenzfläche.
  • Der aktuelle Stand der Technik zur Erkennung einer Annäherung an eine bzw. zur Erkennung von Bewegungen eines Objekts vor einer Referenzfläche durch die Verwendung von optisch arbeitenden Näherungssensoriken (IR Sensorik, TOF-Kameras), die eine verbesserte Auflösung ermöglichen, basiert auf dem Prinzip, dass jeder Teilraum der Referenzfläche jeweils einen Sender und einen Empfänger aufweist. Es handelt sich um eine Eins-zu-Eins-Zuordnung von Sender und Empfänger, wobei die von einem Sender ausgesendete Sensorstrahlung, nach Reflexion an einem Objekt zu einem dem Sender zugeordneten Empfänger gelangt.
  • Die Anzahl der Sender ist also gleich der Anzahl der Empfänger, was mit zunehmender Referenzflächengröße höhere Material- und Montagekosten verursacht und ebenfalls unter den Gesichtspunkten der Energieeffizienz und der Einschränkung in der Designfreiheit von Nachteil ist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine insoweit verbesserte Vorrichtung zur Erkennung der Annäherung eines Objekts an eine Referenzfläche durch die Verwendung von optisch arbeitenden Näherungssensoriken zu schaffen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung der Annäherung eines Objekts, insbesondere einer Hand oder eines Fingers einer Hand einer Person an eine Referenzfläche, vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit
    • - einer Einheit, die eine Referenzfläche aufweist, bezüglich derer die Annäherung durch ein Objekt zu erkennen sein soll,
    • - einer optisch arbeitenden Näherungssensorik zur Erfassung eines Objekts in einem der Referenzfläche der Einheit vorgelagerten Erfassungsraum,
    • - wobei die Näherungssensorik versehen ist mit mehreren Sendern für Sensorstrahlung und mindestens einem Empfänger für von einem der Sender ausgesandte und an einem sich im Erfassungsbereich befindlichen Objekt reflektierte Sensorstrahlung und
    • - wobei jedem Sender ein anderer Teilraum des Erfassungsraums zugeordnet ist und mindestens ein der Empfänger die Sensorstrahlung von mehr als einem Sender, die von einem Objekt reflektiert wird, das sich in einem der den Sendern zugeordneten Teilräume des Erfassungsraums befindet, empfängt und
    • - einer Ansteuer- und Auswerteeinheit, die die Sender zum Aussenden der Sensorstrahlung ansteuert und die zwecks Erkennung eines Objekts und/oder zwecks Erkennung der Bewegung eines Objekts im Erfassungsraum von dem mindestens einen Empfänger Empfangssignale erhält.
  • Sinngemäß wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung der Annäherung eines Objekts an eine Referenzfläche durch die Verwendung einer optisch arbeitenden Näherungssensorik vorgeschlagen, welche mit mehreren Sendern und mindestens einem Empfänger für Reflexionsstrahlung aus dem der Fläche vorgelagerten Erfassungsraum versehen ist. Erfindungsgemäß ist jedem Sender ein anderer Teilraum des Erfassungsraums zugeordnet und jeder Empfänger empfängt die Sensorstrahlung, die von einem Objekt reflektiert wird, das sich in einem der den Sendern zugeordneten Teilräume des Erfassungsraums befindet, von mehr als einem Sender, und zwar bei für sämtliche Sender gleicher Sensorstrahlung z.B. sequentiell und bei für jeden Sender unterschiedlicher Sensorstrahlung z.B. gleichzeitig.
  • Die hier vorgestellte Anordnung der Sender und Empfänger der Näherungssensorik bietet Vorteile bezüglich der Reduktion der Komponentenanzahl, d.h. der Anzahl der Empfänger, und somit einhergehend hinsichtlich der Reduktion der Herstellungskosten und des Energieverbrauchs. Ferner kann bei Anordnung der Sender und Empfänger auf die starre „Eins-zu-Eins Zuordnung“ verzichtet, und somit mehr Flexibilität und Gestaltungsfreiraum diesbezüglich gewährleistet werden.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein einziger Empfänger vorgesehen werden, der von jedem einzelnen der Sender ausgesendete und an einem sich im Erfassungsraum befindenden Objekt reflektierte Sensorstrahlung erfasst.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann die Gestenerkennung mittels der mehreren unterschiedlichen Bereichen des Erfassungsraums zugeordneten Näherungssensoren erfolgen. Um eine möglichst präzise Gestenerkennung zu erzielen, kann eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) für die Empfänger eingesetzt werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Ansteuer- und Auswerteeinheit die Sender sequentiell ansteuern und die somit sequentiell erhaltenen Empfangssignale des mindestens einen Empfängers zur Erkennung eines Objekts und/oder der Erkennung eines Objekts anhand der zeitlichen Abfolge des Ansteuerns der Sender und des Erhalts der zugehörigen Empfangssignale als aus dem dem Sender jeweils zugeordneten Teilraum des Erfassungsraums kommend erkennen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann die Sensorstrahlung insbesondere Strahlung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich sein. Beispielsweise kann die Wellenlänge der Sensorstrahlung größer als 890nm sein, um den rötlichen Schimmer der Sensorstrahlung zu vermeiden. Vorzugsweise wird eine Wellenlänge von 940nm eingesetzt, da bei dieser Wellenlänge die Intensität der Sonnenstrahlung ein lokales Minimum aufweist, und eine Vielzahl von IR-Sendertypen vorhanden ist, die bei dieser Wellenlänge senden (beispielsweise LEDs und Laser).
  • Die erfindungsgemäße Näherungssensorik kann nach dem Prinzip der Laufzeitmessung arbeiten, wobei die Zeit gemessen wird, die die Sensorstrahlung vom Sender zum Objekt, von dem sie reflektiert wird, und vom Objekt bis zum Empfänger benötigt. Diese Laufzeitmessung ermöglicht es, die Entfernung des Objektes zur Referenzfläche der Vorrichtung zu ermitteln. Dieses Prinzip der Laufzeitmessung wird beispielsweise bei TOF (Time-of-flight)-Sensoren und TOF-Kameras angewandt. Dabei wird (insbesondere nicht sichtbare) Strahlung pulsartig von einem Sender emittiert, an einem Objekt reflektiert und vom Empfänger aufgenommen. Anschließend wird die Zeit gemessen, die ein Strahlungspuls vom Sender bis zum Objekt und von dort zum Empfänger benötigt. Die benötigte Zeit ist direkt proportional zur Distanz. Alternativ ist die Abstandsermittlung anhand der Intensität der Reflexionsstrahlung möglich.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann die Sensorstrahlung der Sender bei der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen gleich sein. Beispielsweise können die Wellenlänge der Sensorstrahlung der Sender gleich sein. Dies hat den Vorteil, dass stets gleiche Bauteile, beispielsweise Laserdioden, als Sender verwendet werden können, so dass nicht unterschiedliche Sendertypen bevorratet werden müssen.
  • Als eine alternative beispielhafte Ausführungsgestaltung können die Sender voneinander verschiedene Sensorstrahlung aussenden. Dabei empfängt der mindestens eine Empfänger die von den ihm zugeordneten Sendern ausgesandte und an einem Objekt reflektierte Sensorstrahlung und die Ansteuer- und Auswerteeinheit erkennt die Empfangssignale des mindestens einen Empfängers zur Erkennung eines Objekts und/oder der Bewegung eines Objekts anhand der Unterschiede der reflektierten Sensorstrahlung als aus dem dem betreffenden Sender jeweils zugeordneten Teilraum des Erfassungsraums kommend. Hierbei können die Sender gleichzeitig gepulst oder sequentiell gepulst oder gleichzeitig dauerhaft angesteuert werden.
  • Die Sensorstrahlung der Sender können hinsichtlich ihrer Wellenlängen unterschiedlich sein, wobei die Sensorstrahlung insbesondere Strahlung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich ist. Dabei senden die Sender ihre Strahlung schmalbandig aus, die dann vom Empfänger breitbandig empfangen werden. Empfangene Reflexionsstrahlung kann anhand der Wellenlänge den einzelnen Sendern eindeutig zugeordnet werden.
  • Bei der vorliegenden Einheit handelt es sich insbesondere um eine Einheit, deren Referenzfläche an einer Anzeigevorrichtung, einen Touchscreen, einen Touchpad oder einer Wand existiert.
  • Die den Sendern zugeordneten Teilräume des Erfassungsraums vor der Referenzfläche können aneinander angrenzen und/oder einander überlappen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und unter der Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Diese dargestellten Ausgestaltungen sind jedoch nicht beschränkend für den Umfang und bezüglich der Einzelheiten der Erfindung auszulegen. Hingegen sind die aus den Figuren hervorgehenden Merkmale nicht auf die jeweils einzelnen Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr sind diese Merkmale mit jeweils anderen, in den Figuren und/oder in der Beschreibung einschließlich der Figurbeschreibung angegebene Merkmale jeweils zu nicht näher dargestellten Weiterbildungen kombinierbar. Im Einzelnen zeigen:
    • 1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer Einheit an einer Referenzfläche zur Erkennung der Annäherung eines Objekts mit einer Näherungssensorik mit einem Empfänger und mehreren Sendern,
    • 2 eine schematische Ansicht auf die Einheit in Richtung des Pfeils II der 1,
    • 3 eine Draufsicht auf die Einheit nach 1,
    • 4 ein alternatives Beispiel einer Einheit mit einer Näherungssensorik mit vier Sendern und einem Empfänger, und
    • 5 ein weiteres Beispiel einer Einheit mit einer Näherungssensorik mit vier Sendern und zwei Empfängern.
  • 1 bis 3 betreffen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1 zeigt perspektivisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10 zur Erkennung der Annäherung eines Objekts 12, nämlich in diesem Fall eines Fingers einer Hand, an eine Referenzfläche 14. Neben einer Näherungssensorik 16, die vier Sender S1 bis S4, einen Empfänger E1 und eine Ansteuer- und Auswerteeinheit 18 aufweist, sind in 1 auch der der Referenzfläche 14 vorgelagerte Erfassungsraum 20 schematisch dargestellt, der in vier Teilräume T1 bis T4 aufgeteilt ist, denen jeweils ein anderer der vier Sender S1 bis S4 zugeordnet ist. Bei der Referenzfläche 14 handelt es sich z.B. um die Anzeigefläche einer Anzeigevorrichtung 22 vorzugsweise in Form eines Touchscreens.
  • 2 und 3 zeigen den Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels aus zwei verschiedenen Ansichten. 2 zeigt in Richtung des Pfeils II der 1 schematisch die Vorrichtung 10 zur Erkennung der Annäherung eines Objekts 12 an eine Referenzfläche 14 samt alle zugehöriger und in 1 gezeigter Elemente. 3 zeigt eine Ansicht auf die Vorrichtung in Richtung des Pfeils III der 1, wobei die vier Sender S1 bis S4 und der Empfänger E1 sämtlich am unteren Rand der Referenzfläche 14 angeordnet sind. Der Empfänger E1 ist in der Mitte des unteren Randes der Referenzfläche 14, in diesem Fall zwischen den beiden mittleren Sendern S2 und S3, angeordnet, so dass ihn die an einem Objekt 12 reflektierte Sensorstrahlung jedes Senders S1 bis S4 problemlos erreichen kann. Wenn sich das Objekt 12 z.B. im Teilraum B3 befindet, dann wird vom Sender S3 ausgesendete Sensorstrahlung zumindest teilweise vom Objekt 12 zum Empfänger E1 reflektiert.
  • 4 zeigt schematisch eine Alternativanordnung eines Empfängers E1 und mehrerer Sender S1 bis S4, wobei sich die Sender S1 bis S4 am unteren Rand der Referenzfläche 14 befinden. Jedem Sender S1 bis S4 ist wiederum ein anderer der Teilräume T1 bis T4 des Erfassungsraums 20 zugeordnet. Während die Sender S1 bis S4 am unteren Rand der Referenzfläche 14 verteilt angeordnet sind, befindet sich der Empfänger E1 in der Mitte des oberen Rands der Referenzfläche 14. Auch bei dieser Anordnung ist sichergestellt, dass die von den Sendern S1 bis S4 ausgesandte Sensorstrahlung nach Reflexion an dem im Erfassungsraum 20 befindlichen Objekt 12 den Empfänger E1 problemlos erreicht.
  • 5 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung mit acht Sendern S1 bis S8 und zwei Empfängern E1 und E2. Dabei befinden sich jeweils vier Sender S1, S2, S5 und S6 am oberen Rand und die weiteren vier S3, S4, S7 und S8 am unteren Rand der Referenzfläche 14. Dementsprechend ist der Erfassungsraum 20 in acht Teilräume T1 bis T8 unterteilt, wie in 5 gezeigt. Jedem Sender S1 bis S8 ist ein anderer der Teilräume T1 bis T8 vor der Referenzfläche 14 zugeordnet. Der Erfassungsraum 20 vor der Referenzfläche 14 ist in zwei Halbräume (gemäß Darstellung in 5 vor der linken und vor der rechten Hälfte der Referenzfläche 14 angeordnet) unterteilt, von denen jeder weiter in vier Quadranten unterteilt ist, die die Teilräume T1 bis T4 bzw. T5 bis T8 und deren Lage definieren. Die beiden Empfänger E1 und E2 befinden sich jeweils in der Mitte der jeweiligen Hälfte der Referenzfläche 14. Bei dieser Anordnung sind beispielsweise die Strahlung der Sender S1 bis S4 dem Empfänger E1 zugeordnet, während die Strahlung der Sender S5 bis S8 vom Empfänger E2 aufgenommen wird.
  • Aus den verschiedenen beispielhaften Anordnungsmöglichkeiten wird es ersichtlich, dass die Anordnung der Sender und des oder der Empfänger(s) flexible ist, solange sichergestellt ist, dass die Sensorstrahlung der jeweiligen Sender von einem Objekt 12, das sich im Erfassungsraum 20 befindet, zu dem Empfänger bzw. zumindest zu einem der Empfänger hin reflektiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung
    12
    Objekt
    14
    Referenzfläche
    16
    Näherungssensorik
    18
    Ansteuer- und Auswerteeinheit
    20
    Erfassungsraum
    22
    Anzeigevorrichtung
    S1 bis S8
    Sender
    E1, E2
    Empfänger
    T1 bis T8
    Teilraum des Erfassungsraums

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Erkennung der Annäherung eines Objekts (12), insbesondere einer Hand oder eines Fingers einer Hand einer Person an eine Referenzfläche (14), mit - einer Einheit, die eine Referenzfläche (14) aufweist, bezüglich derer die Annäherung durch ein Objekt (12) zu erkennen sein soll, - einer optisch arbeitenden Näherungssensorik (16) zur Erfassung eines Objekts (12) in einem der Referenzfläche (14) der Einheit vorgelagerten Erfassungsraum (18), - wobei die Näherungssensorik (16) versehen ist mit mehreren Sendern (S1 bis S8) für Sensorstrahlung und mindestens einem Empfänger (E1, E2) für von einem der Sender (S1 bis S8) ausgesandte und an einem sich im Erfassungsraum (10) befindlichen Objekt (12) reflektierte Sensorstrahlung und - wobei jedem Sender (S1 bis S8) ein anderer Teilraum (T1 bis T8) des Erfassungsraums (20) zugeordnet ist und mindestens ein der Empfänger (E1, E2) die Sensorstrahlung von mehr als einem Sender (S1 bis S8), die von einem Objekt (12) reflektiert wird, das sich in einem der den Sendern (S1 bis S8) zugeordneten Teilräume (T1 bis T8) des Erfassungsraums (20) befindet, empfängt und - einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (18), die die Sender (S1 bis S8) zum Aussenden der Sensorstrahlung ansteuert und die zwecks Erkennung eines Objekts (12) und/oder zwecks Erkennung der Bewegung eines Objekts (12) im Erfassungsraum (20) von dem mindestens einen Empfänger (E1, E2) Empfangssignale erhält.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einzigen Empfänger (E1), der von jedem einzelnen der Sender (S1 bis S8) ausgesendete und an einem sich im Erfassungsraum (20) befindenden Objekt (12) reflektierte Sensorstrahlung erfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinheit (18) die Sender (S1 bis S8) sequentiell ansteuert und die somit sequentiell erhaltenen Empfangssignale des mindestens einen Empfängers (E1, E2) zur Erkennung eines Objekts (12) und/oder der Erkennung eines Objekts (12) anhand der zeitlichen Abfolge des Ansteuerns der Sender (S1 bis S8) und des Erhalts der zugehörigen Empfangssignale als aus dem dem betreffenden Sender (S1 bis S8) jeweils zugeordneten Teilraum (T1 bis T8) des Erfassungsraums (20) kommend erkennt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstrahlung Strahlung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Näherungssensorik (16) nach dem Prinzip der Laufzeitmessung arbeitet.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstrahlung der Sender (S1 bis S8) im Wesentlichen gleich ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (S1 bis S8) voneinander verschiedene Sensorstrahlung aussenden und dass der mindestens eine Empfänger (E1, E2) die von den ihm zugeordneten Sendern (S1 bis S8) ausgesandte und an einem Objekt (12) reflektierte Sensorstrahlung empfängt und die Ansteuer- und Auswerteeinheit (18) die Empfangssignale des mindestens einen Empfängers (E1, E2) zur Erkennung eines Objekts (12) und/oder der Bewegung eines Objekts (12) anhand der Unterschiede der reflektierten Sensorstrahlung als aus dem dem betreffenden Sender (S1 bis S8) jeweils zugeordneten Teilraum (T1 bis T8) des Erfassungsraums (20) kommend erkennt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstrahlung der Sender (S1 bis S8) hinsichtlich ihrer Wellenlängen unterschiedlich ist, wobei die Sensorstrahlung insbesondere Strahlung im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit eine Anzeigevorrichtung (22), ein Touchscreen, ein Touchpad oder eine Wand ist oder dass die Einheit eine Anzeigevorrichtung (22), ein Touchscreen, ein Touchpad oder eine Wand aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sendern (S1 bis S8) zugeordneten Teilräume (T1 bis T8) des Erfassungsraums (20) aneinander angrenzen und/oder einander überlappen.
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